Способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде



Способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде
Способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде
Способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде
Способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде

 


Владельцы патента RU 2478192:

ЮНИВЕРСИТЕ КЛОД БЕРНАР ЛИОН I (FR)
СЕНТР НАСЬОНАЛЬ ДЕ ЛЯ РЕШЕРШ СЬЕНТИФИК (FR)

Способ, в котором осуществляют детектирующее измерение путем испускания в среду из источника света, называемого детектирующим источником света, коротких импульсов света, охватывающего широкий диапазон длин волн, и детектирования части света, рассеянного средой в обратном направлении, посредством модуля детектирования с временным разрешением. Осуществляют эталонное измерение путем испускания в среду из источника света, называемого эталонным источником света, характеристики которого идентичны характеристикам детектирующего источника света, коротких импульсов света и детектирования части света, рассеянного средой в обратном направлении, посредством модуля детектирования с временным разрешением. Испускаемый свет или свет, рассеянный в обратном направлении, фильтруют при помощи управляемых средств фильтрации, воспроизводя оптический спектр света с рабочими длинами волн по меньшей мере одного заданного искомого соединения. Осуществляют сравнение результатов детектирующего измерения и эталонного измерения с целью определения возможного присутствия в среде искомого соединения или искомых соединений. Осуществляют динамическую модификацию управляемых средств фильтрации, причем для ряда разных соединений, присутствие которых возможно в данной среде, производят ряд эталонных измерений и ряд соответствующих сравнений. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технической области дистанционного обнаружения веществ и, более конкретно, касается обнаружения аэрозолей или загрязняющих веществ в атмосфере.

Уровень техники

В соответствии с известными решениями для обнаружения и измерения концентрации данного газа используют технологию LIDAR (лидар, от английского Light Detection and Ranging - обнаружение и телеметрия при помощи света). Технология LIDAR также может быть использована для обнаружения частиц жидкостей или твердых веществ, взвешенных в атмосфере, а также для обнаружения соединений, растворенных в жидкости. В соответствии с технологией LIDAR в исследуемую среду посылают импульсы лазерного излучения, после чего измеряют зависимость обратного рассеяния от времени. Наличие пульсации лазерного излучения обеспечивает возможность регистрации отраженного излучения в зависимости от времени t и, следовательно, от расстояния z между лазером и точкой измерения (вычисляемого по формуле z=с·t/2, где с - скорость света в среде).

Дистанционное обнаружение газообразных соединений при помощи лидара часто осуществляют с применением технологии DIAL, в которой используют две близкие длины волны, одна из которых соответствует полосе поглощения искомого соединения, а вторая расположена непосредственно рядом с ней (так называемое дифференциальное поглощение). Такая технология применима лишь к соединениям, имеющим по меньшей мере одну узкую линию поглощения в области, в которой никакое другое могущее присутствовать соединение не имеет полосы поглощения. Она чувствительна к помехам, производимым другими соединениями, поглощающими в том же диапазоне длин волн. Кроме того, в зависимости от требуемого диапазона длин волн изготовление настраиваемого монохроматического источника, пригодного для проведения измерений, может быть затруднительно.

Если спектр исследуемого соединения не позволяет использовать технологию DIAL, возможно применение корреляционной спектроскопии. Техника корреляционной спектроскопии заключается в использовании источника света большой спектральной ширины, причем свет модулируют посредством пропускания сквозь эталонный образец, содержащий измеряемое соединение. Однако данная технология не обладает достаточной гибкостью, поскольку для каждого измерения она требует наличия соответствующего эталонного образца. Кроме того, интенсивность света, который должен быть поглощен измеряемым соединением, падает при его прохождении сквозь эталонный образец. Таким образом, для получения измеряемого сигнала достаточной мощности необходимо использовать источник света высокой интенсивности, что может быть связано с опасностью для глаз как оператора, так и окружающих.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в предложении нового способа и нового устройства для обнаружения загрязняющих веществ в среде, которые были бы просты в использовании и обеспечивали бы возможность обнаружения присутствия большого числа загрязняющих веществ.

Такой способ также должен обеспечивать высокую чувствительность обнаружения и обеспечивать возможность определения концентрации обнаруженного соединения или обнаруженных соединений.

Кроме того, такой способ должен соответствовать установленным требованиям по безопасности для зрения персонала.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде, в котором:

- осуществляют детектирующее измерение путем испускания в среду из источника света, называемого детектирующим источником света, коротких импульсов света, шириной по меньшей мере 3 нм, предпочтительно по меньшей мере 10 нм, и детектирования части света, рассеянного средой в обратном направлении, посредством модуля детектирования с некоторым временным разрешением;

- осуществляют эталонное измерение путем испускания в среду из источника света, называемого эталонным источником света, характеристики которого идентичны характеристикам детектирующего источника света, коротких импульсов света и детектирования части света, рассеянного средой в обратном направлении, посредством модуля детектирования с временным разрешением, причем испускаемый свет или свет, рассеянный в обратном направлении, фильтруют при помощи управляемых средств фильтрации, воспроизводя оптический спектр света с рабочими длинами волн по меньшей мере одного заданного искомого соединения;

- осуществляют сравнение результатов детектирующего измерения и эталонного измерения с целью определения возможного присутствия в среде искомого соединения или искомых соединений;

- причем осуществляют динамическую модификацию управляемых средств фильтрации, при этом для ряда разных соединений, присутствие которых возможно в данной среде, производят ряд эталонных измерений и ряд соответствующих сравнений.

В соответствии с настоящим изобретением также предлагается устройство для оптического дистанционного обнаружения соединений в среде, содержащее

- набор элементов для детектирующих измерений, содержащий источник света, называемый детектирующим источником света, испускающий в среду короткие импульсы света, охватывающего широкий диапазон длин волн шириной по меньшей мере 3 нм, предпочтительно шириной по меньшей мере 10 нм, и модуль детектирования для регистрации с временным разрешением части света, рассеянного средой в обратном направлении, производящий детектирующее измерение;

- набор элементов для эталонных измерений, содержащий источник света, называемый эталонным источником света, характеристики которого идентичны характеристикам детектирующего источника света, испускающий в среду короткие импульсы света, управляемые средства фильтрации, которые осуществляют фильтрацию испускаемого света или света, рассеянного в обратном направлении, воспроизводя оптический спектр света с рабочими длинами волн по меньшей мере одного заданного искомого соединения, и модуль детектирования с временным разрешением части света, рассеянного средой в обратном направлении, производящий эталонное измерение;

- средства сравнения результатов детектирующего измерения и эталонного измерения с целью определения возможного присутствия в среде искомого соединения или искомых соединений; и

- автоматизированные средства модификации управляемых средств фильтрации, позволяющие производить ряд эталонных измерений для ряда разных соединений, присутствие которых возможно в данной среде.

Способ и устройство по изобретению, в частности, подходят для дистанционного обнаружения газообразных соединений, таких как вещества, загрязняющие атмосферу, в газообразной среде. Способ по изобретению также может быть использован для обнаружения твердых или жидких частиц или аэрозолей в газообразной среде, а также для обнаружения соединений, растворенных в жидкой среде. Обнаружение в жидкой среде, таких как вода, представляет интерес, например, с точки зрения обнаружения загрязняющих веществ в морских водах на значительной глубине.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет более ясно из нижеследующего описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:

На фиг.1 схематически представлено устройство по одному из вариантов осуществления изобретения, в котором фильтрующие средства расположены по ходу света перед исследуемой средой.

На фиг.2 и 3 схематически представлены устройства по двум разным вариантам осуществления изобретения, в которых фильтрующие средства расположены по ходу света после исследуемой среды.

На фиг.4 схематически представлено устройство по дальнейшему варианту осуществления изобретения, содержащее два отдельных источника света, один из которых используют для детектирующих измерений, а другой используют для эталонных измерений.

Осуществление изобретения

В рамках настоящего изобретения используют импульсы излучения, охватывающие широкий диапазон длин волн, что позволяет выявлять возможное присутствие широкого спектра соединений. Ширина импульсов предпочтительно составляет по меньшей мере 3 нм и в предпочтительном варианте составляет по меньшей мере 10 нм. Такие импульсы предпочтительно представляют собой импульсы белого света. Традиционно белым светом называют полихроматическое световое излучение, охватывающее спектр длин волн шириной по меньшей мере 100 нм.

В качестве источника белого света могут быть использованы, например, дуговые лампы, лампы накаливания или любые другие аналогичные устройства. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в число возможных детектирующих источников света и эталонных источников света входят лазеры, вырабатывающие световые импульсы с расширенным спектром длин волн. Также могут быть использованы лазерные диоды. Например, в случае использования монохроматического лазера, вырабатывающего импульсы высокой интенсивности, мощность которых, в частности, превышает 3 ГВт, в атмосфере происходит фазовая самомодуляция по принципу самонаправляющегося филамента (см. J.Kasparian et al. Science, 2003, 301, 61). Такой филамент возникает в результате того, что распространяющиеся в воздухе ультракороткие импульсы высокой мощности, как правило, более 3 ГВт, изменяют коэффициент преломления воздуха на пути своего распространения, причем такое изменение коэффициента преломления приводит, в свою очередь, к автофокусировке пучка и его направлению по филаменту света. Таким образом получают самопроизвольное расширение спектра длин волн с возможностью получения импульсов белого света из источника импульсного лазерного излучения высокой интенсивности. В данном случае источник света непосредственно вырабатывает не импульсы белого света, но монохроматические импульсы, которые становятся полихроматическими в процессе распространения и до достижения исследуемой среды. В качестве источника белого света также может быть использован лазер высокой интенсивности, диапазон длин волн которого расширен, например, с использованием фазовой автомодуляции или эффекта Рамана в ячейке, содержащей, например, газ, воду или любую другую среду с нелинейными характеристиками. В этом случае такая ячейка может быть расположена непосредственно на выходе лазера. В качестве лазера высокой интенсивности может быть использован, например, твердотельный лазер, такой как Nd:YAG лазер. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения детектирующий источник света и эталонный источник света вырабатывают импульсы длительностью от 20 фемтосекунд (фс) до 10 пикосекунд (пс), предпочтительно от 100 фс до 300 пс, мощность которых предпочтительно составляет от 3 ГВт до 100 ТВт, а в наиболее предпочтительном варианте - от 0,5 ТВт до 5 ТВт.

Детектирующий источник света и эталонный источник света имеют одинаковые характеристики, такие как длительность импульса, мощность и спектральный диапазон. Детектирующий источник света может быть предусмотрен отдельно от эталонного источника света. Также возможен вариант, в котором детектирующее измерение (детектирующие измерения) и эталонное измерение (эталонные измерения) проводят с использованием единственного источника света, причем детектирующее измерение осуществляют без использования фильтрации. В таком случае должна быть предусмотрена возможность последовательной быстрой модификации средств фильтрации для обеспечения чередования детектирующих измерений и эталонных измерений с целью исключения ошибок, связанных с возможными флуктуациями источника света и/или среды.

Как правило, на каждое эталонное измерение в предпочтительном варианте следует производить отдельное детектирующее измерение, например, чередуя их или проводя детектирующие измерения и эталонные измерения одновременно, как подробно описано ниже, так, чтобы обеспечить возможность сравнения двух измерений, произведенных в близкое время. При этом устройство может содержать средства управления, обеспечивающие возможность чередования детектирующего измерения и эталонного измерения.

Однако не исключен и вариант, в котором разные эталонные измерения сравнивают с одним и тем же детектирующим измерением, или же новое детектирующее измерение, используемое для сравнения, производят периодически после ряда эталонных измерений.

Управляемые средства фильтрации могут содержать оптический пространственный модулятор фазы и/или амплитуды, микроэлектронную отражающую или интерференционную систему или любое другое аналогичное устройство. Средства фильтрации воспроизводят оптический спектр света с рабочими длинами волн по меньшей мере одного заданного соединения. Средства фильтрации периодически модифицируются в автоматическом режиме так, чтобы обеспечить последовательное воспроизведение оптических спектров света для различных соединений на соответствующих длинах волн. В рамках настоящего изобретения при осуществлении фильтрации испускаемого света оптический спектр света на рабочих длинах волн соответствует оптическому спектру света, испускаемого на длинах волн, слабо поглощаемых, или, в предпочтительном варианте, сильно поглощаемых одним или несколькими из заданных соединений. Под длинами слабо поглощаемых волн понимают, в частности, длины волн, для которых при измерении на данном соединении на всем пути распространения света наблюдается суммарное ослабление интенсивности света, не превышающее 10%. Под длинами сильно поглощаемых волн понимают, в частности, длины волн, для которых при измерении на данном соединении на всем пути распространения света наблюдается суммарное ослабление интенсивности света по меньшей мере 30%.

Эталонные и детектирующие измерения могут быть осуществлены так, чтобы обеспечить возможность детектирования линейных или нелинейных явлений. В случае линейных явлений существует совпадение между длиной волны, испускаемой в среду, и длиной волны, рассеянной в обратном направлении. В случае же нелинейных явлений, в частности, наблюдаемых при использовании импульсов высокой интенсивности, например, при мощности импульса более 1 ГВт, наблюдают изменение длины волны, рассеянной в обратном направлении, по сравнению с длиной испускаемой волны. При фильтрации света, рассеянного в обратном направлении, в случае измерения линейных эффектов оптический спектр света на рабочих длинах волн также может соответствовать спектру света, рассеянного в обратном направлении, с длинами волн, слабо поглощаемых, или, в предпочтительном варианте, спектру света, рассеянного в обратном направлении, с длинами волн, сильно поглощаемых одним или большим количеством данных искомых соединений. С другой стороны, в случае детектирования нелинейных эффектов спектр света, рассеянного в обратном направлении, на рабочих длинах волн соответствует спектру света, рассеянного в обратном направлении, на длинах волн, рассеянных в обратном направлении искомым соединением, который отличается от спектра света, испускаемого на длинах волн, слабо или сильно поглощаемых искомым соединением. С учетом того, что эталонное измерение соответствует только световому сигналу, рассеянному в обратном направлении на длинах волн, слабо или сильно поглощаемых одним или несколькими заданными соединениями, интенсивность света, испускаемого в среду на соответствующих длинах волн, может быть увеличена с целью повышения чувствительности системы. Поскольку интенсивность света, рассеиваемого в обратном направлении, ограничена, это облегчает соблюдение норм безопасности для зрения персонала.

Средства фильтрации модифицируются в автоматическом режиме так, чтобы обеспечить последовательное воспроизведение спектров рабочих длин волн для ряда разных соединений. Например, средства фильтрации могут содержать несколько разных фильтров, установленных на держателях фильтра. Снабженные механическими приводами средства перемещения фильтров обеспечивают возможность установки требуемого фильтра. Кроме того, в предпочтительном варианте, различные характеристические спектры соединений могут быть сохранены в базе спектроскопических данных, с которой средства фильтрации могут быть связаны через средства управления.

Средства фильтрации также могут быть выполнены с возможностью моделирования определенных условий, таких как температура, давление, скорость и направление ветра, существующих в среде, в которую происходит испускание импульсов.

В соответствии с изобретением модуль детектирования содержит средства детектирования по меньшей мере части фотонов, рассеянных в обратном направлении. Перед средствами детектирования могут быть установлены средства сбора света, например, такие как телескоп. Такие средства сбора света позволяют, в частности, обеспечить усиление сигнала, получаемого средствами детектирования света, рассеянного в обратном направлении. Средства детектирования, как правило, соединены со средствами сбора и обработки, которые принимают и обрабатывают сигналы, подаваемые средствами детектирования. Например, принимаемые фотоны могут быть преобразованы в фотоэлектроны. Соответствующий электрический сигнал непосредственно зависит от степени поглощения излучения и от молекул анализируемого газа в соответствии с законом Ламберта-Бера. С учетом того, что испускаемый свет имеет форму импульсов, а средства детектирования обеспечивают детектирование сигнала как функцию от времени, можно определить, на каком расстоянии находится среда, вызвавшая рассеяние зарегистрированных фотонов. В таком случае можно рассчитать распределение концентрации вдоль оси светового пучка до некоторого определенного предела, например, соответствующего дальности действия источника света.

В качестве средств детектирования, пригодных для осуществления настоящего изобретения, могут быть использованы, например, фотоумножители, фотодиоды или любые другие аналогичные устройства. Временное разрешение используемых средств детектирования обеспечивает возможность регистрации изменений детектируемого сигнала во времени. Временное разрешение средств детектирования предпочтительно выбирают крайне малым, например, менее 10 нс. Как указано выше, средства детектирования содержат средства пространственного разрешения сигнала, обеспечивающие возможность определения расстояния, на котором находится среда, вызвавшая обратное рассеяние детектированного света. Пространственное разрешение получают благодаря временному разрешению средств детектирования. Таким образом, детектированный сигнал можно коррелировать с расстоянием до среды, испустившей его. Пространственное разрешение средств детектирования предпочтительно составляет менее 1 м. Прием сигнала чаще всего осуществляют в течение сокращенного периода времени.

Детектирующий модуль обеспечивает возможность выбора средств обработки сигнала, что позволяет изменять процедуру обработки сигнала. Например, сигнал, полученный в ходе эталонных измерений, может быть скорректирован и/или оптимизирован с использованием алгоритма с замкнутым контуром так, чтобы обеспечить его соответствие концентрации, измеренной на предыдущем шаге итерационного процесса. Корректировка передачи для каждого отрезка диапазона длин волн или составляющей спектра также может быть произведена независимо при помощи многопараметрического алгоритма оптимизации, например, генетического алгоритма, в котором оптимальное решение, т.е. синтезированный спектр, наиболее близкий к спектру исследуемого вещества, получают способом проб и ошибок, причем оптимальное решение получают путем комбинирования попыток, дающих благоприятные результаты (см. Т.Back, Н.Schwefel, An overview of evolutionary algorithms for parameter optimization, Evolutionnary Computing 1, 1 (1993) и R.S.Judson, Н.Rabitz, Teaching lasers to control molecules, Physical Review Letters 68, 1500 (1992)).

Детектирующие измерения и эталонные измерения могут быть осуществлены одним и тем же модулем детектирования или же двумя отдельными модулями детектирования.

В оптимальном варианте измерения и сравнение осуществляют так, чтобы определить концентрацию обнаруженного присутствующего соединения. Для этого производят сравнение при помощи средств обработки и средств вычисления концентрации обнаруженного соединения, которые могут применять, например, алгоритмы, аналогичные используемым в технологиях LIDAR или DIAL или же в корреляционной спектроскопии. Например, используемые способы вычислений могут быть основаны на способах, используемых в технологии DIAL (Differential Absorption Lidar - Лидар с дифференциальным поглощением; см., например, R.M.Measures, Laser remote sensing - Fundamentals and applications. 1984, New York: Wiley Interscience).

Если рассматривать образец или соединение, сечение поглощения которого, проинтегрированное по спектру излучения эталонного источника света, равно σR, а сечение поглощения, проинтегрированное по спектру излучения измерительного источника, равно, σм, то концентрация (выраженная в числе молекул на единицу объема) такого образца на расстоянии z равна

где SM(z) и SR(z) обозначают, соответственно, сигналы, измеренные измерительным детектором и эталонным детектором.

Если производят сравнение полного спектра света с длинами слабо поглощаемых волн или длин сильно поглощаемых волн с длинами слабо поглощаемых волн, приведенная выше формула может быть применена напрямую.

В случае сравнения полного спектра света, SM, с длинами сильно поглощаемых волн, SR, сечения σR и σM, по существу, равны. Для обеспечения математической устойчивости способа в таком случае используют вспомогательное значение , для которого сечение поглощения равно . Тогда концентрация искомого вещества определяется выражением

Если средства фильтрации одновременно воспроизводят спектр рабочих длин волн нескольких исследуемых соединений, вычисление соотношений в такой смеси может быть произведено путем оптимизации в замкнутом контуре или при помощи любого другого аналогичного алгоритма.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения управляемые средства фильтрации расположены между источником света, используемым для эталонных измерений, и средой, с тем, чтобы обеспечить возможность фильтрации испускаемого света в ходе эталонного измерения. Средства фильтрации могут содержать, например, оптический пространственный модулятор фазы и/или амплитуды или микроэлектронную отражающую или интерференционную систему.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения управляемые средства фильтрации расположены между средой и средствами детектирования, используемыми для эталонного измерения, с тем, чтобы обеспечить возможность фильтрации света, рассеянного в обратном направлении, в ходе эталонных измерений. Для осуществления такой фильтрации средства фильтрации содержат, в частности, средства, позволяющие направлять свет с длинами волн, сильно поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, к одному детектирующему модулю, а свет с длинами волн, слабо поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, - к другому детектирующему модулю, что позволяет осуществлять детектирующие и эталонные измерения одновременно.

Вышеописанный первый вариант осуществления изобретения проиллюстрирован, в частности, на фиг.1. Устройство I содержит единый источник 1 света, используемый как для детектирующего (детектирующих), так и для эталонного (эталонных) измерений. Средства 2 фильтрации расположены на выходе источника 1 света, между источником света, используемым для эталонных измерений, и газообразной средой, с тем, чтобы фильтровать испускаемый свет в ходе эталонного измерения. В ходе эталонного измерения данные средства 2 фильтрации осуществляют фильтрацию света, испускаемого источником 1, допуская испускание лишь некоторых длин волн, которые соответствуют длинам волн, сильно поглощаемых одним или несколькими искомыми соединениями.

Во время детектирующего измерения средства фильтрации отключены. Свет 3, испускаемый в виде коротких импульсов, распространяется в направлении исследуемой газообразной среды 4. Модуль 6 детектирования, содержащий средства детектирования с временным разрешением, регистрирует часть света 5, рассеянного в обратном направлении. Разность между интенсивностью света, полученной при детектирующем измерении, проводимом в отсутствие фильтрации, и интенсивностью света, полученной при эталонном измерении, проводимом с фильтрацией, прямо пропорциональна концентрации искомого соединения или искомых соединений. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения средства фильтрации могут допускать распространение в направлении среды света с длинами слабо поглощаемых волн, но не света с длинами сильно поглощаемых волн.

Вариант осуществления изобретения, в котором средства фильтрации расположены по ходу распространения света перед газообразной средой, позволяет уменьшить мощность испускаемого света, который в таком случае ограничен диапазоном длин волн, для которого для исследуемого соединения наблюдается обратное рассеяние света. Такая конфигурация облегчает соблюдение требований безопасности для зрения персонала.

Второй вариант осуществления изобретения, упоминавшийся выше, проиллюстрирован, в частности, на фиг.2. Устройство II содержит единый источник 11 света, используемый как для детектирующего измерения (детектирующих измерений), так и для эталонного измерения (эталонных измерений). Свет 12, испускаемый в виде коротких импульсов источником 11 света, распространяется в направлении исследуемой газообразной среды 13. Модуль 15 детектирования, содержащий средства детектирования с временным разрешением, перед которым по ходу распространения света установлены средства 16 фильтрации, детектирует часть света 14, рассеянного в обратном направлении. В ходе эталонного измерения данные средства 16 фильтрации осуществляют фильтрацию света, рассеянного в обратном направлении газообразной средой 13, с тем, чтобы обеспечить распространение в направлении модуля 15 детектирования только света с длинами волн, сильно (или слабо) поглощаемых одним или несколькими обнаруживаемыми соединениями. Во время детектирующего измерения средства фильтрации отключены. Разность между интенсивностью света, полученной при детектирующем измерении, проводимом в отсутствие фильтрации, и интенсивностью света, полученной при эталонном измерении, проводимом с фильтрацией, прямо пропорциональна концентрации искомого соединения или искомых соединений.

В данном варианте осуществления изобретения в средства фильтрации попадает только свет, рассеянный средой в обратном направлении, а не весь свет, испускаемый эталонным источником света. Вследствие этого опасность старения или износа фильтра уменьшается.

Фиг.3 иллюстрирует еще один вариант осуществления изобретения, в котором управляемые средства фильтрации расположены между газообразной средой и модулем детектирования, используемым для эталонного измерения и детектирующего измерения, с тем, чтобы обеспечить возможность фильтрации света, рассеянного в обратном направлении, при одновременном проведении эталонного измерения и детектирующего измерения. Как показано на фиг.3, устройство III содержит единый источник 111 света, используемый как для детектирующего измерения (детектирующих измерений), так и для эталонных измерений. Свет 112, испускаемый в виде коротких импульсов источником 111 света, распространяется в направлении исследуемой газообразной среды 113. Часть света 114, рассеянная в обратном направлении, фильтруется средствами 115 фильтрации, расположенными по ходу распространения света после газообразной среды 113 и содержащими средства, которые позволяют направлять свет с длинами волн, сильно поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, к одному детектирующему модулю, а свет с длинами волн, слабо поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, - к другому детектирующему модулю. В конфигурации, представленной на фиг.3, средства 115 фильтрации содержат рассеивающие средства 116, выполненные, например, в виде призмы, и средства 117 отражения полученного рассеянного света, которые направляют световой пучок в соответствии с его длиной волны к одному или другому из двух детектирующих модулей 118 и 119. Средства 115 фильтрации намеренно представлены в увеличенном масштабе для облегчения понимания схемы. На практике средства детектирования могут быть расположены на расстоянии до нескольких километров от исследуемой среды. Средства 117 отражения могут представлять собой микро-электромеханический прибор, например, решетку микроскопических зеркал, установленных на пьезоэлектрических приводах, или же любую другую отражающую систему, каждый элемент которой может быть быстро и независимо сориентирован посредством управляющего сигнала.

Модуль 118 детектирования принимает свет с длинами волн, слабо поглощаемых измеряемым соединением, и обеспечивает возможность проведения детектирующего (или эталонного) измерения. Модуль 119 детектирования принимает свет с длинами волн, сильно поглощаемых измеряемым соединением, и обеспечивает возможность проведения эталонного (или, соответственно, детектирующего) измерения. Вычислительные техники, используемые в способах дифференциального поглощения DIAL, обеспечивают возможность измерения концентрации исследуемого соединения. Таким образом, эталонные и детектирующие измерения производят одновременно, что позволяет исключить из рассмотрения флуктуации, которые могут происходить в среде между двумя последовательными измерениями.

В данном случае, эталонное измерение и детектирующее измерение производят одновременно. Детектирующее измерение соответствует, например, измерению, проведенному средствами детектирования, которые принимают свет с длинами волн (обозначаемыми λoff), слабо поглощаемыми обнаруживаемым

газообразным соединением или обнаруживаемыми газообразными соединениями, а эталонное измерение соответствует измерению, проведенному средствами детектирования, которые принимают свет с длинами волн (обозначаемыми λon),

сильно поглощаемыми обнаруживаемым газообразным соединением или обнаруживаемыми газообразными соединениями, или наоборот. Вычислительные способы, позволяющие получить концентрацию обнаруживаемого газообразного соединения, хорошо известны специалистам в данной области и соответствуют, в частности, способам, используемым в технологии дифференциального поглощения DIAL.

Устройство IV, представленное на фиг.4, содержит два источника 211 и 212 света, один из которых используют для детектирующих измерений, а другой - для эталонных измерений. Свет 213, испускаемый поочередно каждым из данных источников 211 и 212, проходит по одному и тому же пути, причем направление светового пучка изменяют при помощи модуля 214, который содержит средства изменения пути распространения света. Такой модуль 214 может быть выполнен, например, в виде подвижного зеркала, которое переводят из одного положения в другое в соответствии с тем, какой из источников света испускает свет. По выходе из модуля 214 путь распространения света, испускаемого источником 211, совпадает с путем распространения света, испускаемого источником 212, так, что испускаемый свет 213 распространяется в направлении исследуемой газообразной среды 215 по одному и тому же пути независимо от того, из какого источника он был испущен. Часть света 216, рассеянного в обратном направлении, детектируется модулем 217 детектирования, содержащим средства детектирования с временным разрешением, перед которым по ходу распространения света расположены средства 218 фильтрации. В ходе эталонного измерения такие средства 218 фильтрации осуществляют фильтрацию света, рассеянного газовой средой 215 в обратном направлении, с тем, чтобы к детектирующему модулю 217 был направлен лишь свет с определенными длинами волн, соответствующими длинам волн, сильно (или слабо) поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями. Во время проведения детектирующего измерения средства фильтрации отключены. Разность между интенсивностью света, полученной при детектирующем измерении, проводимом в отсутствие фильтрации, и интенсивностью света, полученной при эталонном измерении, проводимом с фильтрацией, прямо пропорциональна концентрации искомого соединения или искомых соединений.

1. Способ оптического дистанционного обнаружения соединений в среде (4, 13, 113, 215), в котором:
осуществляют детектирующее измерение путем испускания в среду (4, 13, 113, 215) из источника (1, 11, 111, 211) света, называемого детектирующим источником света, коротких импульсов света, охватывающего широкий диапазон длин волн шириной по меньшей мере 3 нм, предпочтительно шириной по меньшей мере 10 нм, и детектирования части света, рассеянного средой в обратном направлении, посредством модуля (6, 15, 118, 217) детектирования с временным разрешением;
осуществляют эталонное измерение путем испускания в среду (4, 13, 113, 215) из источника (1, 11, 111, 211) света, называемого эталонным источником света, характеристики которого идентичны характеристикам детектирующего источника света, коротких импульсов света и детектирования части света, рассеянного средой в обратном направлении, посредством модуля (6, 15, 119, 217) детектирования с временным разрешением, причем испускаемый свет или свет, рассеянный в обратном направлении, фильтруют при помощи управляемых средств (2, 16, 115, 218) фильтрации, воспроизводя оптический спектр света с рабочими длинами волн по меньшей мере одного заданного искомого соединения;
осуществляют сравнение результатов детектирующего измерения и эталонного измерения с целью определения возможного присутствия в среде искомого соединения или искомых соединений;
при этом осуществляют динамическую модификацию управляемых средств (2, 16, 115, 218) фильтрации, причем для ряда разных соединений, присутствие которых возможно в данной среде, производят ряд эталонных измерений и ряд соответствующих сравнений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что детектирующий источник света и эталонный источник света содержат лазер, испускающий импульсы света с расширенным спектром длин волн.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что детектирующий источник света и эталонный источник света вырабатывают импульсы длительностью от 20 фс до 10 пс, предпочтительно от 100 до 300 фс, и мощностью предпочтительно от 3 ГВт до 100 ТВт, в предпочтительном варианте от 0,5 до 5 ТВт.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсы, испускаемые в среду, представляют собой импульсы белого света.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения и сравнение осуществляют так, чтобы обеспечить определение концентрации присутствующего обнаруженного соединения.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что детектирующее измерение или детектирующие измерения, а также эталонные измерения осуществляют с использованием единого источника (1, 11, 111) света, причем детектирующее измерение производят без фильтрации.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждое эталонное измерение производят отдельное детектирующее измерение.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляемые средства (2) фильтрации расположены между источником света, используемым для эталонных измерений, и средой с тем, чтобы фильтровать испускаемый свет в ходе эталонного измерения.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что средства фильтрации содержат оптический пространственный модулятор фазы и/или амплитуды или микроэлектронную отражающую или интерференционную систему.

10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что управляемые средства (16, 115, 218) фильтрации расположены между средой (13, 113, 215) и модулем (15, 119, 217) детектирования, используемым для эталонного измерения, с тем, чтобы фильтровать свет, рассеянный в обратном направлении, в ходе эталонного измерения.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что средства (115) фильтрации содержат средства (117), обеспечивающие возможность направления света с длинами волн, сильно поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, к одному модулю (119) детектирования, и направления света с длинами волн, слабо поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, к другому модулю (118) детектирования, причем детектирующие и эталонные измерения производят одновременно.

12. Устройство для оптического дистанционного обнаружения соединений в среде (4, 13, 113, 215), содержащее
набор элементов для детектирующего измерения, содержащий источник (1, 11, 111, 211) света, называемый детектирующим источником света, испускающий в среду короткие импульсы света шириной по меньшей мере 3 нм, предпочтительно по меньшей мере 10 нм, и модуль (6, 15, 118, 217) детектирования с временным разрешением части света, рассеянного средой в обратном направлении, производящий детектирующее измерение;
набор элементов для эталонного измерения, содержащий источник (1, 11, 111, 212) света, называемый эталонным источником света, характеристики которого идентичны характеристикам детектирующего источника света, испускающий в среду короткие импульсы света, управляемые средства (2, 16, 115, 218) фильтрации, которые осуществляют фильтрацию испускаемого света или света, рассеянного в обратном направлении, воспроизводя оптический спектр света с рабочими длинами волн по меньшей мере одного заданного искомого соединения, и модуль (6, 15, 119, 217) детектирования с временным разрешением части света, рассеянного средой в обратном направлении, производящий эталонное измерение;
средства сравнения результатов детектирующего измерения и эталонного измерения с целью определения возможного присутствия в среде искомого соединения или искомых соединений;
автоматизированные средства модификации управляемых средств фильтрации, позволяющие производить ряд эталонных измерений для ряда разных соединений, присутствие которых возможно в данной среде.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что детектирующий источник света и эталонный источник света содержат лазер.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что детектирующий источник света и эталонный источник света вырабатывают импульсы длительностью от 20 фс до 10 пс, предпочтительно от 100 до 300 фс, и мощностью предпочтительно от 3 ГВт до 100 ТВт, в предпочтительном варианте от 0,5 до 5 ТВт.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что модули детектирования и средства сравнения содержат средства вычисления концентрации обнаруженного соединения или обнаруженных соединений.

16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что детектирующий источник (211) света предусмотрен отдельно от эталонного источника (212) света.

17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что детектирующий источник света и эталонный источник света представляют собой один и тот же единственный источник (1, 11, 111) света, при этом детектирующие измерения производятся без фильтрации.

18. Устройство по п.12, отличающееся тем, что содержит средства управления, позволяющие чередовать детектирующие измерения и эталонные измерения.

19. Устройство по п.12, отличающееся тем, что управляемые средства фильтрации расположены между источником света, используемым для эталонных измерений, и средой, с тем, чтобы фильтровать испускаемый свет в ходе эталонного измерения.

20. Устройство по любому из пп.12-19, отличающееся тем, что средства фильтрации содержат оптический пространственный модулятор фазы и/или амплитуды или микроэлектронную отражающую или интерференционную систему.

21. Устройство по любому из пп.12-18, отличающееся тем, что управляемые средства (16, 115, 218) фильтрации расположены между средой (13, 113, 215) и модулем (15, 119, 217) детектирования, используемым для эталонного измерения, с тем, чтобы фильтровать свет, рассеянный в обратном направлении, в ходе эталонного измерения.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что средства (115) фильтрации содержат средства (117), обеспечивающие возможность направления света с длинами волн, сильно поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, к одному модулю (119) детектирования, и направления света с длинами волн, слабо поглощаемых искомым соединением или искомыми соединениями, к другому модулю (118) детектирования, причем детектирующие и эталонные измерения производятся одновременно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, используемой для интерферометрии, спектроскопии Фурье и голографии. .

Изобретение относится к области оптической спектрометрии и может быть использовано в области спектрального анализа объектов. .
Наверх